Физики впервые смогли управлять потоками квантового света: мощный прорыв и многообещающие перспективы

В то время как физики очень хорошо справляются с управлением квантово-запутанными атомами, добиться того же со светом оказалось гораздо сложнее. В новом эксперименте команда из Сиднейского и Базельского университетов в Швейцарии направила один фотон и пару связанных фотонов на квантовую точку (искусственно созданный атом) и смогла измерить прямую временную задержку между фотоном сами по себе и те, которые были связаны.

«Устройство, которое мы построили, индуцировало такие сильные взаимодействия между фотонами, что мы смогли наблюдать разницу между одним и двумя фотонами, взаимодействующим с целью», — рассказал физик Наташа Томм, соавтор исследования, из Базельского университета. По его словам, один фотон задерживается на квантовой точке более длительное время по сравнению с двумя фотонами. При подобном сильном фотон-фотонном взаимодействии два фотона формируют квантовую запутанность в форме того, что называется двухфотонным связанным состоянием.

Данное состояние удалось установить с помощью стимулированного излучения — явления, впервые описанного Альбертом Эйнштейном в 1916 году и лежащего в основе современных лазеров. По сути, «лазер» и означает усиление света за счет стимулированного излучения.

Внутри лазера электрический ток или источник света используются для возбуждения электронов внутри атомов оптического материала, такого как стекло или кристалл. Это возбуждение толкает электроны вверх по орбите в ядре их атома. И когда они возвращаются в свое обычное состояние, они излучают энергию в виде фотонов. Это и есть «стимулированные» излучения, а успешный процесс стимуляции означает, что все полученные фотоны имеют одинаковую длину волны, в отличие от обычного белого света, который представляет собой смесь разных частот (для нашего глаза – разных цветов).

После этого зеркало отражает старые и новые фотоны обратно к атомам, стимулируя производство большего количества идентичных фотонов. Они движутся в унисон, путешествуя с одинаковой скоростью и направлением, и накапливаются, пока, в конце концов, они не преодолеют зеркала и оптическую среду и не вырвутся на свободу в идеально синхронизированном луче света, который может оставаться четко сфокусированным на больших расстояниях.

Все это происходит за миллисекунды, когда вы нажимаете кнопку на самой обычной лазерной указке.

Этот тип взаимодействия между светом и материей является основой для всех видов невероятных технологий, таких как GPS, компьютеры, медицинские изображения и глобальные коммуникационные сети. Даже LIGO, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, которая впервые обнаружила гравитационные волны в 2015 году, основана на лазерах. Но все эти технологии по-прежнему требуют большого количества фотонов, что ограничивает их чувствительность.

Новый прорыв в настоящее время позволил добиться стимулированного излучения и обнаружения одиночных фотонов, а также небольших групп фотонов от одного атома, что привело к их сильной корреляции — другими словами, к «квантовому свету». И это огромный шаг вперед. «Показав, что мы можем идентифицировать состояния, связанные с фотонами, и манипулировать ими, мы сделали важный первый шаг к практическому использованию квантового света», — заявила физик Саханд Махмудян из Сиднейского университета.

Следующие шаги, по ее словам, будут заключаться в использовании подхода для создания состояний света, которые могут улучшить квантовые компьютеры. «Этот эксперимент прекрасен не только потому, что он подтверждает фундаментальный эффект — индуцированное излучение — на его предельном уровне, но также представляет собой огромный технологический шаг к передовым приложениям. Мы можем применить те же принципы для разработки более эффективных устройств, которые дают нам связанные состояния фотонов. Это очень многообещающе для приложений в широком диапазоне областей: от биологии до передового производства и квантовой обработки информации», — добавляют исследователи.